麻省理工学院的工程师们开发出一种新系统，利用一系列太阳驱动反应堆生产无碳氢燃料，将效率从 7% 大幅提高到 40%。他们创新性的列车式反应堆设计可使绿色氢气生产具有可扩展性和经济可行性。

在最近发表在《太阳能杂志》上的一项研究中，工程师们阐述了一个可以高效生产"太阳能热化学氢"的系统的概念设计。该系统利用太阳的热量直接分裂水并产生氢气，这是一种清洁燃料，可为长途卡车、轮船和飞机提供动力，同时在此过程中不会排放任何温室气体。

如今，氢主要是通过涉及天然气和其http://www.196nk.cn他化石燃料的工艺生产出来的，从生产开始到最终使用的整个过程来看，这种原本绿色的燃料更像是一种"灰色"能源。相比之下，太阳能热化学制氢（STCH）提供了一种完全无排放的替代能源，因为它完全依靠可再生的太阳能来驱动制氢。但迄今为止，现有的 STCH 设计效率有限： 只有大约 7% 的太阳光被用来制氢，其结果是产量低、成本高。

麻省理工学院的工程师们设计出了一种能有效利用太阳热能分水制氢的系统。图片来源：Ahmed Ghoniem、Aniket Patankar 等人提供

麻省理工学院的研究小组估计，他们的新设计可以利用多达40%的太阳热能生成更多的氢气，这是向实现太阳能燃料迈出的一大步。效率的提高可以降低系统的总体成本，使 STCH 成为一种潜在的、可扩展的、经济实惠的选择，帮助交通行业实现去碳化。

这项研究的第一作者、麻省理工学院机械工程罗纳德-C-克兰（Ronald C. Crane）教授艾哈迈德-高尼姆（Ahmed Ghoniem）说："我们认为氢是未来的燃料，因此需要廉价、大规模地生成氢。我们正在努力实现能源部的目标，即到 2030 年以每公斤 1 美元的价格制造出绿色氢气。为了提高经济效益，我们必须提高效率，确保我们收集的大部分太阳能都用于制氢。"

Ghoniem 的研究合著者包括：第一作者、麻省理工学院博士后 Aniket Patankar；麻省理工学院材料科学与工程教授 Harry Tuller；滑铁卢大学的 Xiao-Yu Wu；以及韩国梨花女子大学的 Wonjae Choi。

太阳能站

与其他拟议的设计类似，麻省理工学院的系统将与现有的太阳能热源配对，例如聚光太阳能发电站（CSP）--一个由数百面镜子组成的圆形阵列，收集阳光并反射到中央接收塔。然后，STCH 系统会吸收接收器的热量，并将其用于分裂水和产生氢气。这一过程与电解法截然不同，后者利用电能而不是热能来分裂水。

概念 STCH 系统的核心是一个两步热化www.196nk.cn学反应。第一步，水以蒸汽的形式接触金属。这使得金属从蒸汽中吸收氧气，留下氢气。这种金属"氧化"类似于铁在水中生锈，但速度更快。一旦氢被分离出来，氧化（或生锈）的金属就会在真空中重新加热，从而逆转生锈过程并使金属再生。除去氧气后，金属可以冷却并再次暴露在蒸汽中以产生更多的氢。这个过程可以重复数百次。

MIT研究人员设计的系统旨在优化这一过程。整个系统就像一列在环形轨道上运行的箱形反应器。在实践中，这条轨道将环绕一个www.196nk.cn太阳能热源（如 CSP 塔）设置。列车上的每个反应器都将容纳进行氧化还原或可逆生锈过程的金属。

每个反应器将首先经过一个热站，在那里暴露在高达 1500 摄氏度的太阳热量下。这种极端高温会有效地从反应堆的金属中抽出氧气。这样，金属就会处于"还原"状态--随时准备从蒸汽中获取氧气。为此，反应堆将转移到温度约为 1000 摄氏度的冷却站，在那里接触蒸汽以产生氢气。

铁锈和铁轨

其他类似的 STCH 概念都遇到了一个共同的障碍：如何处理反应堆冷却时释放出的热量。如果不对这些热量进行回收和再利用，系统的效率就会很低，无法实用。

第二个挑战是如何创造一个高能效的真空环境，使金属能够除锈。一些原型利用机械泵产生真空，但对于大规模氢气生产来说，这种泵能耗太高，成本太高。

为了应对这些挑战，麻省理工学院的设计采用了几种节能变通方法。为了196世界之最回收从系统中逸出的大部分热量，圆形轨道两侧的反应器可以通过热辐射交换热量；热的反应器被冷却，冷的反应器被加热。这样就能将热量保持在系统内。研究人员还增加了第二组反应堆，它们将围绕第一列反应堆以相反的方向移动。这列外反应器的运行温度通常较低，用于从较热的内反应器中排出氧气，而无需使用耗能的机械泵。

这些外层反应堆将装载第二种也很容易氧化的金属。当它们环绕一圈时，外层反应堆将吸收内层反应堆中的氧气，有效地去除原有金属的锈迹，而无需使用耗能的真空泵。两组反应堆将连续运行，分别产生纯氢和纯氧。

研究人员对这一概念设计进行了详细模拟，发现它将显著提高太阳能热化学制氢的效率，从以前设计所证明的 7% 提高到 40%。

Ghoniem说："我们必须考虑到系统中的每一点能量，以及如何使用这些能量，从而最大限度地降低成本。有了这个设计，我们发现一切都可以用来自太阳的热量来驱动。它能够利用 40% 的太阳热能生产氢气。"

明年，该团CGQnsGu队将建造一个系统原型，计划在能源部实验室的聚光太阳能设施中进行测试。

Patankar解释说："该系统完全投入使用后，将被安置在太阳能发电场中间的一座小楼里。建筑物内可以有一列或多列火车，每列火车上有大约 50 个反应堆。我们认为这可以是一个模块化系统，你以在传送带上增加反应器，从而扩大氢气生产规模。"